CN103321644B - 机械与控制爆破组合开挖隧道的方法 - Google Patents
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Abstract
Description
技术领域
[0001] 本发明涉及隧道施工方法，特别涉及一种组合使用机械设备和控制爆破技术开挖隧道的施工方法。
背景技术
[0002] 在隧道施工领域，硬岩隧道施工多使用爆破开挖的方法。若处于复杂环境下，尤其是经过城市时，隧道上部往往有许多需要保护的建(构)筑物，由于隧道施工产生的爆破振动就会对周边环境的影响非常大。必须采用减振开挖技术以保证隧道的施工安全及快速掘进。
[0003] 目前，城市浅埋铁路隧道的施工方法主要有以下几种:全断面掘进机法(TBM)、液压冲击锤法、劈裂法、静态爆破法等。
[0004] 全断面掘进机法采用开挖支护全套机械施工，TBM施工快速、安全、文明、对周围环境影响小，施工时对围岩扰动少，对周围建筑物影响小，但价格昂贵，且设备往往需要进口，后期维护费用高。
[0005] 劈裂法采用劈裂机，是以高压油为能量源，应用斜契原理，使劈裂力达到几百吨，甚至上千吨，这样就可以将巨石劈裂开，从而使岩石从围岩中分离，但施工成本较高，效率较低。
[0006] 液压冲击锤法，先于掌子面开挖轮廓线周边钻孔作为预切槽，再采用挖掘机携带的液压冲击锤进行分部凿岩开挖。液压冲击锤法通常仅适用于有裂缝的和层理分明的地层。节理发育的和层理分明的以及层理和节理之间有软弱夹层的坚硬岩层是有利于使用液压冲击成功地进行隧道掘进的典型条件。换言之，液压冲击锤法对其应用场合具有非常严格的限制。
[0007] 静态破碎法的破碎原理是利用装在上部装药孔中的静态破碎剂的水化反应，使晶体变形，产生体积膨胀，从而缓慢地和静静地将此膨胀压力施加给上部装药孔壁，由于受到上部装药孔壁的约束，这种膨胀压力转化为拉伸应力。对于脆性材料来说，它的抗拉强度，大大小于它的抗压强度，所以材料在这种拉伸应力作用下，容易引起破碎。静态破碎剂的破碎效果除了与破碎剂的性能、介质的强度和破碎条件有关以外，还取决于破裂参数和炮孔的排列，此方法价格昂贵，不适合长大隧道开挖。
[0008] 如中国专利申请第201110402398.8号公开的一种切槽爆破与光面爆破联合控制爆破法施工工艺，该方法包括以下步骤:(1)对爆破开挖区划定周边轮廓线，并在主体爆破开挖区内布置微差爆破孔；(2)沿爆破开挖区周边轮廓线布置光面爆破孔；(3)在爆破开挖区周边轮廓线之内预留光面层靠主体爆破开挖区的一侧布置切槽爆破孔；(4)对切槽爆破孔进行切槽；(5)对切槽爆破孔进行爆破装药，并布设低段雷管；(6)对微差爆破孔进行爆破装药，并布设微差爆破雷管；(7)对光面爆破孔进行爆破装药，并布设高段雷管；(8)对微差爆破孔、切槽爆破孔和光面爆破孔进行堵塞；(9)连接起爆网路，实施爆破；(10)出渣；
(11)重复上述步骤至开挖完毕。此发明的方法工期较慢，工序较复杂，且造价相对较高。
[0009] 另如中国专利申请第201110207075.3号公开的一种特长黄土堆积岩隧道的施工方法，具体为黄土堆积岩中隧道的施工方法，解决现有此种隧道施工时对于隧道上部结构黄土含河卵石、大型孤石较多时，管超前支护效果差、爆破时对围岩扰动大等问题，包括超前支护、上导坑开挖等工序，超前支护采用Φ 25mm药包锚杆作为超前支护主体，药卷包装入锚杆后，用风动搅拌机带动锚杆快速旋转，边旋转边徐徐推进；上导坑开挖时采用以机械开挖、人工开挖为主，微震爆破为辅，采用药包锚杆有效增强柔性支护，减小围岩本身变化对已支护段落的影响，减少初期支护表面开裂、掉块、塌方等现象发生，采用微震爆破，避免施工中对围岩扰动，快速施做仰拱、衬砌砼，使隧道断面尽快封闭成环，形成稳定体系。此发明仅适合于黄土地层，对环境影响较大，对于硬岩在30Mpa的隧道，特别是城市浅埋隧道有相对的局限性。
[0010] 又如中国专利申请第200710050369.3号公开的一种隧道工程非爆破弱扰动开挖施工方法，其施工工序主要包括:(I)建立冻结帷幕模型，对冻结帷幕进行受力分析；(2)根据冻结帷幕模型及其受力分析，实施冻结；(3)分部开挖:采用CRD法，引进自由断面掘进机进行隧道开挖，至少分IV部进行；其它施工工序和施工条件参照现有技术地下工程施工方法。这种隧道施工方法成本高且往往需要采用价格昂贵的进口挖掘设备。
[0011] 再如中国专利申请第201010136157.9号公开的一种小净距隧道施工控制爆破技术。所采用的技术方案是:第一步，根据临近隧道或相邻建(构)筑物的安全要求，确定爆破振动安全标准为3〜5cm/s ;第二步，对施工隧道按三台阶掘进浅眼多循环微差控制爆破，即首先对第I台阶施行掘进，掘进长度为5〜10m，掘进采用浅眼微差控制爆破，再先后对第2个台阶和第3台阶施行掘进，掘进长度均为5〜10m，掘进亦采用浅眼微差控制爆破；第三步，重复第二步，直至完成隧道全部施工。此发明的方法工期较慢，尤其不适合长大隧道开挖。
[0012] 还如中国专利申请第00811401.3号公开的一种三维多阶段隧道掘进方法及其设备，三维多阶段隧道掘进方法包括步骤:在一个引导隧道中的一个上半部分上钻取倾斜上部装药孔，上述引导隧道是通过一个隧道掘进机(TBM)实施挖掘的，和在挖掘上述引导隧道期间在一个最外隧道部分沿着隧道掘进的方向(纵向方向)钻取具有一预定长度的最外上部装药孔，以及对上半部分实施装药和爆破，其中上述倾斜上部装药孔从一个横截方向向一个纵向方向偏转一个预定的角度；以及在钻取纵向孔之后，对与隧道面分隔一预定距离的除了中间部分的下半部分实施装药和爆破。此发明的方法具有以下的缺点和不足:
(I)、其需要使用价格昂贵的隧道掘进机(TBM)挖掘出引导隧道，使得施工成本很高；(2)、挖掘出引导隧道后，需于引导隧道的上壁面倾斜向上钻取倾斜上部装药孔并装药，在空间局促的引导隧道内进行这种施工具有一定的难度和安全隐患；(3)、由于使用隧道掘进机(TBM)，使得隧道施工工艺的灵活性降低，整个施工工艺必须围绕着隧道掘进机(TBM)挖掘出的引导隧道进行设计。
[0013]由以上分析可知，现有技术的各种隧道挖掘技术存在着各种各样的缺点和不足。因此，提供一种能够解决上述问题的隧道挖掘方法成为业内急需解决的问题。
发明内容
[0014] 针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种机械与控制爆破组合开挖隧道的方法，该方法能够降低施工成本、缩短施工工期、并且施工工艺的灵活性好、安全性高。
[0015] 采用本发明的方法，尤其能够在隧道开挖过程中避免对周边环境及邻近居民造成影响，并能够控制地表沉降及控制施工产生的振动及施工噪音。
[0016] 根据本发明，提供一种机械与控制爆破组合开挖隧道的方法，包括:(I)、将待开挖的隧道由上到下设计分为控制爆破一区、机械切削区以及控制爆破二区；(2)、使用掘进机在隧道的掌子面开挖机械切削区，沿隧道的纵向方向掘进第一设定长度后停止掘进，后退掘进机；(3)、在掌子面，沿隧道的纵向方向在控制爆破一区钻出具有第二设定长度的若干个上部装药孔，在若干个上部装药孔内装药并控制爆破，在控制爆破控制爆破一区后清理隧道内的岩渣；(4)、使用掘进机继续开挖机械切削区，沿隧道的纵向方向掘进第一设定长度后停止掘进，后退掘进机；(5)、沿隧道的纵向方向继续在控制爆破一区钻出具有第二设定长度的若干个上部装药孔，在若干个上部装药孔内装药并控制爆破，在控制爆破控制爆破一区后清理隧道内的岩渣；(6)、重复步骤(4)-(5) 二次或二次以上，获得一段隧道中上部空间；(7)、在掌子面，沿隧道的纵向方向在控制爆破二区钻出具有第三设定长度的若干个下部装药孔，在若干个下部装药孔内装药并控制爆破，在控制爆破控制爆破二区后清理隧道内的岩渣；(8)、重复步骤(7) 二次或二次以上，获得一段隧道下部空间；以及(9)、重复步骤(1)-(8)，直到完成整条隧道。
[0017] 本发明采用的术语“隧道”包括地上、地下隧道或坑道等需要挖掘出的通道或空间。
[0018] 优选地，掘进机为单臂掘进机，单臂掘进机包括机动本体、以可伸缩和/或可摆动方式连接于机动本体的悬臂、以及以可旋转方式安装在悬臂的自由端的铣挖头；单臂掘进机在铣挖机械切削区的断面时，在横向方向上分为至少二个分部，例如分为左右两个分部或者左中右三个分部，并在每个分部中，在竖向方向上分为至少二个条块，比如上下两个条块或者上中下三个条块；在进行铣挖时，铣挖头选择从其中一个分部的一个条块开始铣挖，完成后换另一条块，当所选分部的所有条块铣挖完成后，移至另一分部开始铣挖，直至所有分部铣挖完成。
[0019] 可选择地，掘进机不限于单臂掘进机，例如，掘进机可以包括两个长短不同的悬臂，用于分别掘进离机动本体较近和较远的区域。并且，掘进机可以选用本领域常用的非铣挖头类型的其它掘进机，例如TBM掘进机。
[0020] 优选地，在铣挖头铣挖每个条块时，顺着铣挖头的截齿的旋转方向移动铣挖头，并且当铣挖速度或效率降低时将铣挖头游离工作面，等速度回升后再抵近铣挖。
[0021] 可选择地，在每个分部中，每个条块的高度设定为0.8〜1.2米，比如I米。
[0022] 其中，隧道中上部空间可以包括拱顶区以及上台阶区，控制爆破一区对应拱顶区，上台阶区对应机械切削区；隧道下部空间可以包括下台阶区以及仰拱区，控制爆破二区对应下台阶区和仰拱区。
[0023] 可选择地，第二设定长度大于或等于第一设定长度，第一设定长度设定为1.5〜
4.5米，优选的为2〜3米，例如2米或2.5米；第三设定长度设定为1.5〜4.5米，优选的为2〜3米，例如2米或2.5米。优选地，第二设定长度略大于第一设定长度，例如第二设定长度大于第一设定长度约0.5米。
[0024] 可选择地，在步骤(2)和(4)中，当掘进机停止掘进后，还包括清理隧道内的岩渣的步骤。例如，开挖掉下的围岩废渣利用小型挖掘机运至下台阶倒运或者直接装车运至洞外临时渣场。
[0025] 可选择地，在步骤(6)与步骤(7)之间还包括在一段隧道中上部空间沿着隧道内壁架立钢拱架、沿着隧道径向方向在隧道内壁钻孔并插入锚杆、于钢拱架内喷射混凝土以形成初期支护的步骤。并且，锚杆的前端插入钻孔内，锚杆的另一端延伸在所述钢拱架内。
[0026] 可选择地，在步骤(8)之后还包括对一段隧道下部空间的内壁浇注混凝土以形成初期支护的步骤。
[0027] 可选择地，步骤(6)中最后一次重复步骤(4)-(5)的施工过程与步骤(7)-(8)同时进行以加快施工进度、缩短工期；并且为了保障设备和人员安全，在隧道内加装防护网或屏蔽门，以将实施步骤出)中最后一次重复步骤(4)-(5)所在的施工区域与实施步骤
(7)-(8)所在的施工区域相互隔离。当然，在实施步骤(7)-(8)中的控制爆破期间，实施步骤(6)中最后一次重复步骤(4)-(5)的施工需暂停，让工作人员撤离隧道。
[0028] 可选择地，在步骤(I)中，可以根据围岩的条件和采用的单臂掘进机的设备尺寸和所需作业空间大小综合确定使用掘进机开挖的区域。上台阶可优先在隧道轮廓线先开挖。
[0029] 可选择地，单臂掘进机可采用一种集开挖、装载、运输于一体的综合机械化施工设备，辅以铣挖机对隧道开挖轮廓线进行修边，能够进行无爆破振动施工，对围岩扰动小，连续开挖作业、效率高、超挖小、节约衬砌材料等。
[0030] 本发明的有益效果是:(I)、本发明的机械与控制爆破组合开挖隧道的方法由于采用了价格相对便宜的单臂掘进机，并结合使用了控制爆破技术，使得能够降低施工成本并缩短施工工期；(2)、同时，本发明通过分区分时进行的、少量多次的机械掘进和控制爆破组合，进行循环施工，使得能够在隧道开挖过程中避免对周边环境及邻近居民造成影响，并能够控制地表沉降及控制施工产生的振动及施工噪音；(3)、并且，通过采用自由度较高的悬臂掘进机，可以根据围岩条件和作业空间大小，灵活设定机械切削区和控制爆破区；以及
(4)、另外，通过在横向方向上分部、在竖向方向上分条块进行铣挖，使得粉尘少、噪音小、效率高。
附图说明
[0031] 下面结合附图对本发明进一步说明。
[0032] 图1示出了根据本发明一种实施方式的机械与控制爆破组合开挖隧道的流程示意图。
[0033] 图2示出了根据本发明一种实施方式的机械与控制爆破组合开挖隧道的分区示意图。
[0034] 图3示出了根据本发明一种实施方式的隧道在施工过程中的纵截面示意图。
具体实施方式
[0035] 接下来参照附图具体描述本发明的机械与控制爆破组合开挖隧道的方法。
[0036] 请参照图1-图3，作为一种非限制性示例，本发明的机械与控制爆破组合开挖隧道的方法包括以下步骤。
[0037] 步骤SlOO:将待开挖的隧道100(图中以隧道开挖轮廓线示意)由上到下设计分为控制爆破一区120、机械切削区140以及控制爆破二区160。其中，控制爆破一区120大致对应隧道的拱顶区，机械切削区140大致对应隧道的上台阶区，控制爆破二区160大致对应隧道的下台阶区和仰拱区。
[0038] 步骤S200:使用掘进机(未图示)在隧道100的掌子面110开挖机械切削区140，沿隧道的纵向方向掘进第一设定长度后停止掘进，后退掘进机。在该非限制性实施方式中，第一设定长度约为2米。当掘进机停止掘进后，优选地还包括清理隧道内的岩渣的步骤。
[0039] 步骤S300:在掌子面110，沿隧道的纵向方向在控制爆破一区120钻出具有第二设定长度的若干个上部装药孔122，在若干个上部装药孔内装药并控制爆破，在控制爆破后清理隧道内的岩渣。在该非限制性实施方式中，第二设定长度约为2.5米。
[0040] 步骤S400:使用掘进机继续开挖机械切削区140，沿隧道100的纵向方向掘进第一设定长度后停止掘进，后退掘进机。当掘进机停止掘进后，优选地还包括清理隧道内的岩渣的步骤。
[0041] 步骤S500:沿隧道100的纵向方向继续在控制爆破一区120钻出具有第二设定长度的若干个上部装药孔122，在若干个上部装药孔122内装药并控制爆破，在控制爆破后清理隧道内的岩渣。
[0042] 步骤S600:重复步骤S400-S500四次，获得约10米长的隧道中上部空间。
[0043] 步骤S700:在掌子面110，沿隧道100的纵向方向在控制爆破二区160钻出具有第三设定长度的若干个下部装药孔166，在若干个下部装药孔166内装药并控制爆破，在控制爆破后清理隧道内的岩渣。在该非限制性实施方式中，第三设定长度约为2.5米。
[0044] 步骤S800:重复步骤S700四次，获得约10米长的隧道下部空间。
[0045] 步骤S900:重复步骤S100-S800，直到完成整条隧道。
[0046] 作为一种非限制性优选实施方式，掘进机选用单臂掘进机，单臂掘进机包括机动本体、以可伸缩和/或可摆动方式连接于机动本体的悬臂、以及以可旋转方式安装在悬臂的自由端的铣挖头；单臂掘进机在铣挖机械切削区的断面时，在横向方向上分为左中右三个分部，并在每个分部中，在竖向方向上分为上中下三个条块；在进行铣挖时，铣挖头选择从其中一个分部的一个条块开始铣挖，完成后换另一条块，当所选分部的所有条块铣挖完成后，移至另一分部开始铣挖，直至所有分部铣挖完成。
[0047] 作为一种非限制性优选实施方式，步骤S600中最后一次重复步骤S400-S500的施工过程与步骤S700-S800同时进行，以加快施工进度、缩短工期；并且为了保障设备和人员安全，在隧道内加装防护网或屏蔽门(未图示)，以将实施步骤S600中最后一次重复步骤S400-S500所在的施工区域与实施步骤S700-S800所在的施工区域相互隔离。当然，在实施步骤S700-S800中的控制爆破期间，实施步骤S600中最后一次重复步骤S400-S500的施工需暂停，让工作人员撤离隧道。
[0048] 作为一种非限制性可替代实施方式，提供一种机械与控制爆破组合开挖隧道的方法，其施工步骤如下(I)根据拟采用的单臂掘进机的设备尺寸和所需作业空间大小确定使用掘进机开挖的区域，隧道开挖为台阶法开挖，上台阶完全采用单臂掘进机开挖，下台阶控制爆破开挖；(2)使用掘进机开挖上台阶区域，开挖掉下的围岩废渣利用小型挖掘机运至下台阶倒运或者直接装车运至洞外临时渣场；(3)移动掘进机至掌子面后，将台架推至掌子面，钻出上部装药孔，采用控制爆破开挖上台阶拱顶部分，进尺2榀(约2米)，爆破后，移走台架，利用铲车直接装车废渣运至洞外临时渣场；(4)移动台架至掌子面，架立钢拱架，打设锚杆，喷射初期支护；(5)上台阶连续施工数个循环，对下台阶区域及仰拱部分同时控制爆破开挖后，施工下台阶和仰拱初期支护；(6)施工仰拱二衬、填充，保证仰拱及时闭合，二衬及时跟进。
[0049] 作为一种非限制性具体实施方式，本发明的机械与控制爆破组合开挖隧道的方法包括:(1)根据拟采用的单臂掘进机的设备尺寸和所需作业空间大小确定使用掘进机开挖的区域，隧道开挖为台阶法开挖，上台阶完全采用单臂掘进机开挖，下台阶控制爆破开挖；
(2)使用掘进机开挖上台阶部区域，进尺2榀，开挖掉下的围岩废渣利用小型挖掘机运至下台阶倒运或者直接装车运至洞外临时渣场；(3)移动掘进机至掌子面后20m处，将台架推至掌子面，钻出上部装药孔，采用控制爆破开挖上台阶拱顶部分，进尺2榀，爆破后，移走台架，利用铲车直接装车废渣运至洞外临时渣场；(4)移动台架至掌子面，架立钢拱架，打设锚杆，喷射初期支护；(5)上台阶连续施工四个循环，进尺8m，在施工第五个循环的过程中，下台阶部及仰拱部同时控制爆破开挖后，施工下台阶和仰拱初期支护；(6)施工仰拱二衬、填充，保证仰拱及时闭合，二衬及时跟进。
[0050] 以下结合示例介绍本发明的施工方法在工程上的应用。
[0051] 根据具体施工要求，可以选择采用单臂掘进机EBZ260H作为主要施工设备。
[0052] 施工准备。包括单臂掘进机EBZ260H的调试，进场。
[0053] 测量放线。测量人员利用精密测量仪器将设计的孔位标定在掌子面及周边。
[0054] 点位复测，单臂掘进机就位。测量人员将标定好的点位进行复测，单臂掘进机调试好后进场。
[0055] 单臂掘进机铣挖断面，分左右两大部分铣挖掘进，先进行试掘，然后根据试掘效果调整断面设计等铣挖参数。悬臂掘进机为纵向铣挖头(铣挖头直径< Im)，拨料截齿呈螺旋状，顺时针旋转，铣挖头连接伸长臂决定伸长量2〜3m。根据铣挖头特点，开挖断面设计按分部条块法开挖，横向左右分部，竖向上下分条块。分块大小:高度0.8〜1.2m。铣挖时分部分条块铣挖，左右分部，每部从下到上按条块依次铣挖，顺截齿旋转方向，每一条块铣挖时，从左到右铣挖，并不断摆动或调整铣挖头。当铣挖速度或效率降低时将铣挖头游离工作面，等速度回升后再抵近铣挖。铣挖效果的控制以降低粉尘、提高岩碴块度、单位铣挖量为标准。提高悬臂掘进机铣挖效率，边角及卧底部位等铣挖效率低的部位，由人工或其他机械设备清理。质量控制要求开挖循环进尺需满足设计；断面轮廓线虽然不能修整到位，但能铣挖到的地方，必须修整整齐，并要保证隧道中线及高程控制。
[0056] 移动掘进机至掌子面后20m处，将台架推至掌子面，沿着隧道纵向方向钻出上部装药孔，采用控制爆破开挖上台阶拱顶部分，进尺2榀(约2米)，爆破后，移走台架，利用铲车直接装车废渣运至洞外临时渣场；
[0057] 移动台架至掌子面，沿隧道内壁架立钢拱架，打设径向锚杆(可选3.5米深)，并且多个锚杆可呈梅花形布置，锚杆的直径可选择20-40毫米，比如32毫米，然后喷射初期支护。
[0058] 上台阶连续施工4个循环，进尺Sm，在施工第五个循环的过程中，下台阶3部及仰拱部分同时控制爆破开挖后，施工下台阶和仰拱初期支护。
[0059] 施工仰拱二衬、填充，保证仰拱及时闭合，二衬及时跟进。
[0060] 尽管在此已详细描述本发明的优选实施方式，但要理解的是本发明并不局限于这里详细描述和示出的具体结构和步骤，在不偏离本发明的实质和范围的情况下可由本领域的技术人员实现其它的变型和变体。此外所揭示的各种参数可以根据具体使用条件在本发明所公开的范围内适当选取。此外所揭示的各个施工步骤也可以根据具体使用条件适当地增减或调整顺序。
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